(57)【要約】  多値大容量低消費電力不揮発性メモリを提供する。  非磁性層４０１を挟んで第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００を配置したことにより、３値の記録情報を記録可能にする。非磁性層４０１を挟んで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層３０３と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層５０１が向き合うように配置する。あるいは、非磁性層４０１を挟んで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層３０１と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層５００３が向き合うように配置する。この磁気抵抗素子１０にスイッチング素子を備えた磁気メモリセルをアレイ状に配置して磁気ランダムアクセスメモリを形成することにより、１ビット３値の大容量磁気メモリを実現できる。
2012008349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性層と、
前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、
前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気抵抗素子。
｜Ic3｜＞｜Ic1｜  かつ  ｜Ic4｜＞｜Ic2｜
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記非磁性層は、前記第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、前記第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層、前記第一の固定層、前記第二の自由層及び前記第二の固定層は、ＣｏとＦｅの少なくとも一つとＢを含有する膜であることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項４】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の障壁層及び前記第二の障壁層は、マグネシウムの酸化物により形成されることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項５】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項６】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の固定層と前記第二の固定層の少なくとも一方に反強磁性層が隣接していることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項７】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第一の自由層、前記第二の自由層、前記第一の固定層、前記第二の固定層の少なくとも一つは、間に非磁性層を挟んで互いの磁化方向が反平行に配置された一対の強磁性層からなることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項８】
磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、
前記スイッチング素子を介して前記磁気抵抗素子に流れる電流により情報の記録を行う磁気メモリセルにおいて、
前記磁気抵抗素子は、非磁性層と、前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気メモリセル。
｜Ic3｜＞｜Ic1｜  かつ  ｜Ic4｜＞｜Ic2｜
【請求項９】
請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記非磁性層は、前記第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、前記第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１０】
請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１１】
請求項８記載の磁気メモリセルにおいて、
第１の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、電流をゼロにもどし、
第２の情報を書き込むときは、前記第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に前記第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻し、
第３の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、前記第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す
ことを特徴とする磁気メモリセル。
【請求項１２】
それぞれが磁気抵抗素子と、前記磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子を介して前記磁気抵抗素子に流れる電流により情報の書込みを行う複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルから一つを選択して情報の書込みあるいは読取りを行ための選択制御手段とを備える磁気ランダムアクセスメモリにおいて、
前記磁気抵抗素子は、非磁性層と、前記非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、前記非磁性層を介して前記第一のトンネル磁気抵抗素子及び前記第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有し、
前記第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、前記第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、
前記第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、前記第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有し、
前記非磁性層に対して前記第一の固定層は前記第一の自由層より遠くに配置されると共に前記第二の固定層は前記第二の自由層より遠くに配置され、あるいは、前記非磁性層に対して前記第一の自由層は前記第一の固定層より遠くに配置されると共に前記第二の自由層は前記第二の固定層より遠くに配置され、
前記第一の自由層と前記第二の自由層の磁化方向が、前記一対の電極膜の間に流れる電流により反転し、
第１の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、前記第一の自由層の磁化を前記第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、前記第２の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、前記第１の方向に電流を流し、前記第二の自由層の磁化を前記第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たし、
｜Ic3｜＞｜Ic1｜  かつ  ｜Ic4｜＞｜Ic2｜
前記選択制御手段は、前記選択した磁気メモリセルの磁気抵抗素子に、前記第１の方向に流れる｜Ic3｜以上の電流、前記第２の方向に流れる｜Ic4｜以上の電流、前記第１の方向に流れる｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流、前記第２の方向に流れる｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を選択的に流すことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１３】
請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記選択制御手段は、前記選択した磁気メモリセルへの情報の書込みに際し、
第１の情報を書き込むときは、｜Ic3｜以上の電流を前記第１の方向に流した後、電流をゼロにもどし、
第２の情報を書き込むときは、前記第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻し、
第３の情報を書き込むときは、前記第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、前記第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す
ことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１４】
請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリにおいて、前記第一の自由層と前記第一の固定層、前記第二の自由層と前記第二の固定層の少なくとも一組は、磁化方向が膜面垂直方向に向いている一対の垂直磁化膜からなることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的手段により磁気情報の書込みを行う磁気メモリセル及びそれを装備した大容量多値磁気メモリに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性磁気メモリや磁気記録装置では、その大容量化に向けて記録磁気情報を多値情報として記録し、読み出す技術が必要とされている。例えば、ＭＯＳＦＥＴ上にトンネル磁気抵抗素子を２つ以上積層した多値磁気メモリが特表２００７−５０４６５１号公報に開示されている。また、特開２００６−２３７１８３号公報には、磁性細線に磁壁で分離して配列された多数の磁気ビット情報を一つの磁気抵抗素子で読み出す大容量の磁気記録装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５０４６５１号公報
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気メモリや磁気記録装置の抜本的な大容量化の実現には、１ビットの磁気情報を多値で読み出す技術を開発する必要がある。【０００５】
本発明は、このような要請に応えることのできる磁気メモリセル及び大容量不揮発性磁気メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の磁気抵抗素子は、非磁性層と、非磁性層を挟んで直列に接続された第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子と、非磁性層を介して第一のトンネル磁気抵抗素子及び第二のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すための一対の電極膜とを有する。第一のトンネル磁気抵抗素子は、第一の障壁層と、第一の障壁層を挟んで設けられた第一の自由層と第一の固定層とを有し、第二のトンネル磁気抵抗素子は、第二の障壁層と、第二の障壁層を挟んで設けられた第二の自由層と第二の固定層とを有する。【０００７】
このとき、非磁性層に対して第一の固定層は第一の自由層より遠くに配置されると共に第二の固定層は第二の自由層より遠くに配置される。あるいは、非磁性層に対して第一の自由層は第一の固定層より遠くに配置されると共に第二の自由層は第二の固定層より遠くに配置される。【０００８】
また、第１の方向に電流を流し、第一の自由層の磁化を第一の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic3｜、第１の方向と逆の第２の方向に電流を流し、第一の自由層の磁化を第一の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic4｜、第２の方向に電流を流し、第二の自由層の磁化を第二の固定層の磁化に対して反平行状態から平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic2｜、第１の方向に電流を流し、第二の自由層の磁化を第二の固定層の磁化に対して平行状態から反平行状態に反転するのに必要な閾値電流の絶対値を｜Ic1｜とするとき、次の関係を満たす。【０００９】
｜Ic3｜＞｜Ic1｜  かつ  ｜Ic4｜＞｜Ic2｜
第一の自由層と第二の自由層の磁化方向は、非磁性層を介して配置した一対のトンネル磁気抵抗素子に電流を流すことにより反転制御する、スピントランスファートルク磁化反転による情報書込み方式を用いる。このようなトンネル磁気抵抗素子により、３値の情報記録を実現できる。【００１０】
非磁性層は、第一のトンネル磁気抵抗素子の第一の自由層あるいは第一の固定層と、第二のトンネル磁気抵抗素子の第二の自由層あるいは第二の固定層との間に磁気的な結合を生じさせない膜厚を有することが必要である。【００１１】
第一及び第二のトンネル磁気抵抗素子の自由層及び／又は固定層は、ＣｏとＦｅの少なくとも一つとＢを含有する膜とすることができる。障壁層は、マグネシウムの酸化物とすることができる。【００１２】
本発明の磁気メモリセルは、本発明の磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子に流れる電流をオン・オフ制御するスイッチング素子とを有し、スイッチング素子を介して磁気抵抗素子に流れる電流により情報の記録を行うものである。【００１３】
３値の情報のうち第１の情報を書き込むときは、第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、電流をゼロにもどす。第２の情報を書き込むときは、第２の方向に｜Ic4｜以上の電流を流し、次に第１の方向に｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流を流し、次に電流をゼロへ戻す。第３の情報を書き込むときは、第１の方向に｜Ic3｜以上の電流を流した後、第２の方向に｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を流し、次に電流ゼロへ戻す。【００１４】
本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、アレイ状に配置した本発明の上記磁気メモリセルと、複数の磁気メモリセルから一つを選択して情報の書込みあるいは読取りを行ための選択制御手段とを備える。選択制御手段は、選択した磁気メモリセルの磁気抵抗素子に、第１の方向に流れる｜Ic3｜以上の電流、第２の方向に流れる｜Ic4｜以上の電流、第１の方向に流れる｜Ic1｜と｜Ic3｜の間の電流、第２の方向に流れる｜Ic4｜と｜Ic2｜の間の電流を定められたシーケンスに従って選択的に流すことで、上記第１の情報、第２の情報、第３の情報の書込みを行う。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、従来の２倍以上の容量をもつ磁気メモリを提供でき、大容量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図４】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図５】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図７】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図８】本発明の磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。
【図９】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１０】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１１】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１２】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置を反映した出力信号の大小関係を示した図である。
【図１４】電流方向の定義を示す図である。
【図１５】本発明の磁気抵抗素子における第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗−電流特性の例を示した図である。
【図１６】本発明の磁気抵抗素子における３値の磁化配置を形成するための電流印加例を示した図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１８】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図１９】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図２０】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置の例を示した図である。
【図２１】本発明の磁気抵抗素子における磁化配置を反映した出力信号の大小関係を示した図である。
【図２２】電流方向の例を示す図である。
【図２３】本発明の磁気抵抗素子における第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の電気抵抗−電流特性の例を示した図である。
【図２４】本発明の磁気抵抗素子における３値の磁化配置を形成するための電流印加例を示した図である。
【図２５】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図２６】本発明の磁気メモリセルの構成例を示した図である。
【図２７】本発明の磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１は、本発明による磁気抵抗素子の構成例を示す断面模式図である。この磁気抵抗素子１０は、第一の電極膜１０１、保護膜２０１、第一のトンネル磁気抵抗素子３００、非磁性層４０１、第二のトンネル磁気抵抗素子５００、配向制御膜２０２、第二の電極膜１０２により形成される。ここで、第一のトンネル磁気抵抗素子３００は、反強磁性層６０１、固定層３０１、障壁層３０２、自由層３０３により構成され、第二のトンネル磁気抵抗素子５００は、自由層５０１、障壁層５０２、固定層５０３、反強磁性層６０２により構成される。本発明の磁気抵抗素子１０の各層を構成する膜は、スパッタリング法を用いて製膜した。ただし、磁気抵抗素子１０の全層あるいは一部の層を、分子線エピタキシー法、レーザアブレーション法、イオンビームを使ったスパッタ法によって形成しても構わない。
【００１９】
第二の電極膜１０２には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，ＣｕＮ膜やそれらの多層膜を用いることができる。配向制御層２０２はＮｉＦｅやＮｉＦｅＣｒ、あるいはＲｕなどを用いることができるが、その上に形成される反強磁性層６０２の配向性を向上させ、安定した反強磁性結合を実現できるならば他の材料を用いてもよい。ＴａやＰｔなどの高融点のアモルファス膜を使用することも望ましい。反強磁性層６０２にはＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが，膜厚は４〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなどのＭｎ化合物で構成される反強磁性層を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。さらに、Ｍｎを含まない元素で構成される高温の熱処理耐性の優れた反強磁性膜を適用することも可能である。ここで高温とは、３００℃以上の温度を示す。
【００２０】
固定層５０３には、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の固定力の大きい積層フェリ型の固定層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。特に障壁層５０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、反強磁性層６０２側から見てＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。これらの材料からなる固定層を備えることにより、高い出力を得ることが可能となる。また、積層フェリ型の固定層を使用する場合には、Ｒｕに比べて熱拡散耐性に優れたＩｒ，Ｏｓなど使用することができる。
【００２１】
障壁層５０２には、酸化物や窒化物、又は半導体などの金属ではない材料が使用される。その中でも、マグネシウムを含む酸化物であるＭｇＯ，ＭｇＺｎＯなどを用いることが望ましい。ＭｇＯターゲットをスパッタ法で製膜したり、Ｍｇを酸化プラズマ雰囲気中で酸化したり、プラズマを用いずに自然に酸化するプロセスを使用して作製することも可能である。ＭｇＯの場合、岩塩構造を持ち、（００１）配向を主配向とする障壁層であることが望ましいが、アモルファス構造であっても構わない。また、ＭｇＺｎＯを適用することによりトンネル磁気抵抗素子の抵抗を減少することが可能であり、素子に大きな電流を印加可能となる。ＭｇＺｎＯを用いる場合も、岩塩構造の（００１）配向が主配向となっていることが望ましい。さらに、ＧｅやＺｎＳｅなどの半導体で障壁層を形成することも可能である。また、ＭｇＯやＭｇＺｎＯ，ＺｎＯ，Ｇｅ，ＺｎＳｅなどの異種の障壁層材料を２層以上の多層に積層して形成する障壁層を用いてもよい。
【００２２】
自由層５０１には、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の結合力の大きい積層フェリ型の自由層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。障壁層５０２にマグネシウムの酸化物を使用する場合には、障壁層５０２側から見てＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。また、ＣｏＦｅＢの垂直磁化膜を使用することも可能である。垂直磁化タイプのＣｏＦｅＢを用いた場合は、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流を小さくすることが可能で、さらに第二の自由層の熱安定性が向上される。
【００２３】
次に、非磁性層４０１の材料について説明する。非磁性層４０１には、自由層３０３と自由層５０１の間に磁気的な結合が生じないようにするための、さらにその上に形成される自由層３０３の所望の配向性、結晶構造を実現するための材料又は膜厚が選択される。ここで磁気的結合が生じないとは、自由層３０３と自由層５０１の磁化方向をお互いに制御する作用が生じないことを意味する。これは、静的な状況はもちろん、読出し時や書込み時に電流や電圧を印加している動的な状況でも、自由層３０３と自由層５０１の磁化方向がお互いに影響し合ってはならない。ここでは、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｒｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｍｇ，Ｈｆなどの材料又はそれらの積層膜や化合物が使用される。さらに、これらの酸化物や窒化物を用いても構わない。非磁性層４０１の膜厚は５ｎｍ以上あることが望ましいが、自由層３０３と自由層５０１の間に磁気的な結合が生じなければ５ｎｍ以下であってもよい。
【００２４】
自由層３０３には、自由層５０１と同様に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅで構成される磁化の結合力の大きい積層フェリ型の自由層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。障壁層３０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、障壁層３０２側から見てＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。また、ＣｏＦｅＢの垂直磁化膜を使用することも可能である。垂直磁化タイプのＣｏＦｅＢを用いた場合は、スピントランスファートルク磁化反転の閾値電流を小さくすることが可能で、さらに自由層の熱安定性が向上される。障壁層３０２についても、障壁層５０２と同様の材料が使用される。
【００２５】
固定層３０１については、固定層５０３と同様に、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢなどの強磁性膜を使用することができる。また、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅなどの磁化の固定力の大きい積層フェリ型の固定層を使用してもよい。この場合、ＣｏＦｅの代わりにＣｏＦｅＢを使うことも可能である。特に障壁層３０２にマグネシウムの酸化物を用いる場合には、反強磁性層６０１側から見てＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢやＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなどの積層構造を有する積層膜を使用することも可能である。これらの固定層を備えることにより、高い出力を得ることが可能となる。また、積層フェリ型の固定層を使用する場合には、Ｒｕに比べて熱拡散耐性に優れたＩｒ，Ｏｓなどを使用することができる。
【００２６】
反強磁性層６０１には、ＭｎＩｒ（８ｎｍ）を用いたが、膜厚は４〜１５ｎｍの範囲で選択可能である。また、ＭｎＰｔ，ＭｎＦｅなどのＭｎ化合物で構成される反強磁性層を用いても安定に反強磁性結合を実現できる。さらに、Ｍｎを含まない元素で構成される高温の熱処理耐性の優れた反強磁性膜を適用することも可能である。ここで高温というのは、３００℃以上の温度を示す。
【００２７】
保護膜２０１には、Ｔａ，Ｒｕ，ＭｇＯなどを使用することが可能であるが、そのほかにＣｕ，Ｃｒ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｗ，Ｈｆなどの材料、またそれらの積層膜や化合物が使用される。さらに、これらの酸化物や窒化物を用いても構わない。第一の電極膜１０１には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔなどの材料が使用される。
【００２８】
図２は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子と比較して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００を構成する各々の自由層と固定層と反強磁性層の配置が入れ替わった構成をもつ。それぞれ非磁性層４０１側から反強磁性層６０１，６０２、固定層３０１，５０３、障壁層３０２，５０２、自由層３０３，５０１の順に形成されている。各層に用いる材料は、図１に示した磁気抵抗素子の場合と同様である。
【００２９】
図３、図４、図５、図６は、本発明の磁気抵抗素子の更に他の構成例を示す断面模式図である。図３及び図４に示した磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００のどちらか一方の反強磁性層がない構造を有する。また、図５及び図６に示した磁気抵抗素子１０は、図２に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００のどちらか一方の反強磁性層がない構造を有する。
【００３０】
図７は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図１に示した磁気抵抗素子と比較して、反強磁性層６０１，６０２を持たない点が異なる。この構成の場合、第一のトンネル磁気抵抗素子３００又は第二のトンネル磁気抵抗素子５００の少なくとも一方の自由層と固定層には、垂直磁化膜を使用することが望ましい。例えば、第二の電極膜１０２にＴａ／Ｒｕ／Ｔａ、配向制御膜２０２にＴａを用い、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層３０３と固定層３０１、第二の磁気抵抗素子５００の自由層５０１と固定層５０３にＣｏＦｅＢ垂直磁化膜を用い、障壁層３０２，５０２にはＭｇＯを用いる。保護膜２０１としてはＴａ，ＲｕやＭｇＯ／Ｔａを使用し、第一の電極膜１０１には、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ａｌなどの材料を使用する。
【００３１】
図８は、本発明の磁気抵抗素子の他の構成例を示す断面模式図である。本実施例の磁気抵抗素子１０は、図７に示した磁気抵抗素子に対して、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の中で自由層と固定層の配置が入れ替わった構造を有する。すなわち、図７に示した磁気抵抗素子１０は非磁性層４０１を挟んで自由層３０３と自由層５０１とが近接して配置された構造を有するが、図８に示した磁気抵抗素子１０は、非磁性層４０１を挟んで固定層３０１と固定層５０３とが接近して配置された構造を有する。
【００３２】
次に、本発明による多値磁気メモリの動作と原理について説明する。図９は、図１、図３、図４及び図７に示した磁気抵抗素子１０において、第一のトンネル磁気抵抗素子３００、非磁性層４０１、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の部分の各々の自由層と固定層の磁化が面内に容易軸を持つ場合の磁化配列の組合せを示したものである。図には、各層の磁化方向を矢印で示す。図９に示すように、次の３種類の状態が実現可能となる。
【００３３】
(1)第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層の磁化３０３１と固定層の磁化３０１１が平行配列、且つ第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層の磁化５０１１と固定層の磁化５０３１が反平行配列した情報Ａの状態
(2)第一のトンネル磁気抵抗素子３００、第二のトンネル磁気抵抗素子５００ともに、２つの磁化が反平行配列した情報Ｂの状態
(3)第一の磁気抵抗素子３００と第二の磁気抵抗素子４００ともに、２つの磁化が平行配列した情報Ｃの状態
図１０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００のそれぞれの自由層、固定層の磁化方向が膜面に対して垂直に向いているときの磁化の配列例を示したものであり、その相対配置は図９に示した面内磁化の場合と同様である。
【００３４】
また、図１１は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層と固定層の磁化が面内方向に容易軸を持ち、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層と固定層の磁化が膜面垂直方向に容易軸を持つ場合の各々の自由層、固定層の磁化配列の組合せを示したものである。同様に、図１２は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層と固定層の磁化が膜面垂直方向に容易軸を持ち、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層と固定層の磁化が面内方向に容易軸を持つ場合の各々の自由層、固定層の磁化配列の組合せを示したものである。
【００３５】
このような磁化配列に対して得られる出力電圧値の大小関係を図１３に示す。トンネル磁気抵抗素子は、その中の自由層と固定層の磁化が互いに平行のとき低抵抗になり、反平行のときに高抵抗となる。したがって、第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子のそれぞれの磁化配置が両方ともに平行である情報Ｃでの抵抗値Ｒ３が最も小さく、従って出力電圧が最も低くなり、お互いに反平行のときである情報Ｂの抵抗値Ｒ２が最も大きく、出力電圧が最も高くなる。また、情報Ａは平行と反平行の組合せであり、情報ＢとＣの間の抵抗値Ｒ１となり、出力電圧も中間の電圧となる。このように、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の各々での磁化配列パターンの組合せにより、出力電圧値の異なる３つのレベル、すなわち３値の情報の記録・再生が実現可能となる。
【００３６】
次に、情報Ａ，Ｂ，Ｃの状態の書込み手順について説明する。図１４に、書込み時の電流方向の定義を示す。図示のように、電流の向きは、第二の電極膜１０２から第一の電極膜１０１の方向を正方向とする。
【００３７】
図１５は、図１４のように電流方向を定義した時の第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の各素子の電気抵抗−電流特性を分解して示した図である。実線は第一のトンネル磁気抵抗素子の抵抗−電流特性を示し、破線は第二のトンネル磁気抵抗素子の抵抗−電流特性を示す。第一のトンネル磁気抵抗素子では、実線で示すように、正方向にIc3の電流を印加すると自由層と固定層の磁化が反平行状態から平行状態へ遷移する。一方、負方向に-Ic4以上の電流を印加すると磁化は平行から反平行へスイッチする。第二のトンネル磁気抵抗素子では、第一のトンネル磁気抵抗素子に対して自由層と固定層の積層順が反対になることから、抵抗−電流のヒステリシスの極性が逆になる。したがって第二のトンネル磁気抵抗素子の場合、破線で示すように、正方向にIc1の電流を印加すると自由層と固定層の磁化が平行状態から反平行状態へ遷移する。一方、負方向に絶対値がIc2以上の電流を印加すると磁化は反平行から平行へスイッチする。
【００３８】
逆に言うと、第一のトンネル磁気抵抗素子の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子の固定層と自由層は、第一のトンネル磁気抵抗素子の抵抗−電流ヒステリシスのスイッチング電流（又は、閾値電流）-Ic4及びIc3と、第二のトンネル磁気抵抗素子の抵抗−電流ヒステリシスのスイッチング電流-Ic2及びIc1が、図１５に示すように、次の関係を満たすように設定されている。これは、トンネル磁気抵抗素子３００，５００の自由層の膜厚や材料、寸法を適切に選択することによって設計可能である。
【００３９】
-Ic4＜-Ic2＜Ic1＜Ic3
上記スイッチング電流を絶対値で比較すると、次の関係を満たす必要がある。
【００４０】
｜Ic3｜＞｜Ic1｜  かつ  ｜Ic4｜＞｜Ic2｜
第一のトンネル磁気抵抗素子と第二のトンネル磁気抵抗素子の動作とスイッチング電流が図１５に示したようにIc1からIc4で定義されるとき、情報Ａ〜Ｃを記録するための電流印加のシーケンスを図１６に示す。
【００４１】
情報Ａを書込む場合、Ic3以上の電流を正方向（第二の電極膜から第一の電極膜の方向）に流し、電流をゼロにもどす。この場合、図１５から分かるように、第一のトンネル磁気抵抗素子３００では固定層の磁化と自由層の磁化が平行状態、第二のトンネル磁気抵抗素子では反平行状態となり、図９から図１２に示した情報Ａに相当する磁化配列が形成される。情報Ｂの書込み操作に当たっては、一旦、負方向に-Ic4以上の電流を印加する。
【００４２】
そのとき、第一のトンネル磁気抵抗素子では磁化が反平行状態、第二のトンネル磁気抵抗素子は磁化が平行状態となる。そのまま、電流をIc1より大きく、Ic3より小さく設定すると第一のトンネル磁気抵抗素子は固定層の磁化と自由層の磁化が反平行を維持した状態、第二のトンネル磁気抵抗素子は、平行から反平行へスイッチする。そのまま、電流をゼロへ戻すと第一のトンネル磁気抵抗素子、第二のトンネル磁気抵抗素子ともに磁化が反平行状態となり図９から図１２に示した情報Ｂの磁化配列が形成される。最後に情報Ｃの書込み方法としては、正方向にIc3以上の電流を流し第一のトンネル磁気抵抗素子の磁化を平行、第二のトンネル磁気抵抗素子の磁化を反平行状態へセットする。その後、-Ic4と-Ic2との間の電流域まで電流を印加してゼロへ戻すと、第二のトンネル磁気抵抗素子のみ磁化が反平行から平行へスイッチする。このように情報Ａ〜Ｃ毎に設定される電流シーケンスを操作することにより、３値の状態を自由に作り出すことが可能となる。
【００４３】
図１７から図２０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層とが非磁性層を介して近接して配置された場合の磁化配列の例を示す。図中の矢印は磁化の向きを表す。図１７は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層の全てに面内磁化膜を用いた場合を示し、図１８は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層、及び第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層の全てに垂直磁化膜を用いた場合を示している。また、図１９は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層に面内磁化膜を用い、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層に垂直磁化膜を用いた場合を示している。図２０は、第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層と自由層に垂直磁化膜を用い、第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層と自由層に面内磁化膜を用いた場合を示している。
【００４４】
この場合にも、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層の磁化と自由層の磁化に関し、図９から図１２に示した例と同様な平行と反平行の組み合わせの配列が可能となる。そして、それに対応する情報Ａ〜Ｃの出力電圧値も、図２１に示すように図１３と同様の関係となる。
【００４５】
図２２は、非磁性層４０１側に第一のトンネル磁気抵抗素子３００の固定層３０１と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の固定層５０３が配置された場合の電流方向の定義を示す。この場合には、図１４と異なり、第一の電極膜１０１から第二の電極膜１０２方向を正方向として電流を流すように定義する。
【００４６】
このとき、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の電気抵抗−電流特性は、図２３に示すようになる。図２３において、実線は第一のトンネル磁気抵抗素子３００の抵抗−電流特性を示し、破線は第二のトンネル磁気抵抗素子５００の抵抗−電流特性を示す。この場合も、図２４に示すように、図１６を用いて説明したのと同じ電流シーケンスによって、情報Ａ〜Ｃに対応する磁化配列が形成される。ここで、図２３に示した電気抵抗−電流特性において、第一のトンネル磁気抵抗素子３００と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の間の閾値電流の絶対値の相違（例えば、Ic1とIc3）はトンネル磁気抵抗素子３００，５００の自由層の膜厚や材料、寸法によって設計することが可能である。
【００４７】
図２５と図２６は、本発明による磁気メモリセルの構成例を示す断面模式図である。この磁気メモリセルは、メモリセルとして図１から図８に示した磁気抵抗素子１０を搭載している。図２５は、磁気抵抗素子１０がソース電極８１２から立ち上がった電極上に形成された構造を有し、図２６は磁気抵抗素子１０がソース電極８０２の積層上から電極７００を引き出した上に形成された構造を有する。
【００４８】
Ｃ−ＭＯＳ１は、２つのｎ型半導体８０１，８０２と一つのｐ型半導体８０３からなる。ｎ型半導体８０１にドレインとなる電極８１１が電気的に接続され、電極８３１，８３６を介してグラウンドに接続されている。ｎ型半導体８０２には、ソースとなる電極８１２が電気的に接続されている。ソース電極８１２には、電極８３５，８３４，８３３，８３２が積層され、その上の電極７００に磁気抵抗素子１０の第二の電極膜１０２が接続されている。磁気抵抗素子１０の第一の電極膜１０１は、ビット線７０１に接続されている。ソース電極８１２とドレイン電極８１１の間の電流のＯＮ／ＯＦＦは、ゲート電極８１３によりを制御される。
【００４９】
本実施例の磁気メモリセルでは、磁気抵抗素子１０に流れる電流を図１６あるいは図２４で説明したシーケンスに従って制御し、いわゆるスピントランスファートルクにより磁気抵抗素子１０の第一のトンネル磁気抵抗素子３００の自由層の磁化方向と第二のトンネル磁気抵抗素子５００の自由層の磁化方向を回転し、磁気的情報を記録する。スピントランスファートルクは、空間的な外部磁界ではなく主としてトンネル磁気抵抗素子中を流れるスピン偏極した電流のスピンがトンネル磁気抵抗素子の強磁性自由層の磁気モーメントにトルクを与える原理である。このスピン偏極した電流は、トンネル磁気抵抗素子に電流を流すこと自体で発生する。したがって、トンネル磁気抵抗素子に外部から電流を流すことにより、スピントランスファートルク磁化反転は実現される。その電流の方向により自由層の磁化方向を制御し、自由層と固定層の磁化配列を決定する。
【００５０】
本実施例では、Ｃ−ＭＯＳ１を使用することにより、磁気抵抗素子１０に流れる電流の向きを双方向に設定できる。本実施例では、ビット線７０１と電極８３６の間に電流が流れることにより磁気抵抗素子１０中の自由層３０３，５０１にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクにより書込みを行った場合、書込み時の電力は電流磁界を用いた場合に比べ百分の一程度まで低減可能である。また、１００以上のＥ／ｋＴを有するトンネル磁気抵抗素子３００，５００を装備することにより、ギガビットの磁気メモリを構成可能な磁気メモリセルを実現できる。
【００５１】
図２７は、本発明の磁気メモリセルを配置した磁気ランダムアクセスメモリの構成例を示す図である。ゲート電極８１３とビット線７０１がメモリセル９００に電気的に接続されている。ビット線にはビット線ドライバー９０１が接続され、ゲート線にはゲートドライバー９０２が接続されており、配置された磁気メモリセルの選択はこのドライバーにより実施される。特に、書込み動作の時には、個々のメモリセル９００に、図１６と図２４に示したようなシーケンスによりビット線７０１から電流が供給される。そのために、ビット線ドライバー９０１は、特定のビット線を選択する機能と、選択したビット線を介して磁気メモリセルの磁気抵抗素子に複数の電流値から選択された所望の値の所望の方向の電流を所定のシーケンスに従って流す機能を有する。
【００５２】
具体的な電流値は、図１６及び図２４で説明したように、(1)正方向にIc3以上の電流、 (2)負方向に-Ic4以上の電流、(3)Ic1より大きく、Ic3より小さな電流、(4)-Ic4と-Ic2の間の電流である。また、読出し動作についても、書込み動作と同様に読み出しを行う磁気メモリセルの選択はビット線ドライバー９０１とゲートドライバー９０２を操作して行う。読出しは、トンネル磁気抵抗素子の高抵抗、低抵抗状態をトランジスタ１に流れる電流量により判別して、“０”（低抵抗）、“１”（高抵抗）を決定する。その電流量は、閾値電流の絶対値｜Ic1｜から｜Ic4｜において最も小さい閾値電流値未満に設定することが望ましい。本発明の磁気メモリセルを配置することにより、磁気メモリは低消費電力で動作が可能であり、ギガビット級の高密度磁気メモリを実現可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  Ｃ−ＭＯＳ
１０  磁気抵抗素子
１０１  第一の電極膜
１０２  第二の電極膜
２０１  保護膜
２０２  配向制御膜
３００  第一のトンネル磁気抵抗素子
３０１  固定層
３０２  障壁層
３０３  自由層
４０１  非磁性層
５００  第二のトンネル磁気抵抗素子
５０１  自由層
５０２  障壁層
５０３  固定層
６０１，６０２  反強磁性膜
７０１  ビット線
８０１  ｎ型半導体
８０３  ｐ型半導体
８１２  ソース電極
８１１  ドレイン電極
８１３  ゲート電極
８３１〜８３６  電極配線
９０１  ビット線ドライバー
９０２  ゲートドライバー
【図１】
2012008349.tif 000003
【図２】
2012008349.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012008349.tif 000006
【図５】
2012008349.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012008349.tif 000009
【図８】
2012008349.tif 000010
【図９】
2012008349.tif 000011
【図１０】
2012008349.tif 000012
【図１１】
2012008349.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2012008349.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
2012008349.tif 000030
2012008349.tif 000031
2012008349.tif 000032